林伯江

（中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計院有限公司，福州350001）

1 引言

隨著風(fēng)、光等新能源在電網(wǎng)中的占比逐漸增大，配套建設(shè)儲能電站的需求逐步提升。 電池儲能得益于其響應(yīng)快、能量密度高等優(yōu)勢，是目前發(fā)展最為迅速的儲能型式。 隨著電池儲能電站的規(guī)模不斷擴(kuò)大， 將蓄電池成組布置于集裝箱內(nèi)形成電池艙的布置型式，正逐步成為主流電池儲能電站布置型式。 隨著艙內(nèi)蓄電池布置密度加大， 電池艙體的火災(zāi)危險性較高是不可忽視的問題。 近年來，電池儲能站火災(zāi)事故在國內(nèi)、外均有發(fā)生[1]，且部分爆炸事故造成人員傷亡，以4·16 北京儲能電站火災(zāi)事故為例，事故造成2 死1 傷1 失聯(lián)，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1 600 余萬元。 鑒于慘痛的事實教訓(xùn)和對蓄電池的深入研究，在電池儲能艙中布置自動消防滅火系統(tǒng)已經(jīng)是業(yè)界的共識。

2 電池儲能艙的火災(zāi)特點(diǎn)

絕大多數(shù)的電池儲能艙火災(zāi)， 是由內(nèi)部蓄電池的熱失控引發(fā)的。 目前，主流的儲能電池采用磷酸鐵鋰蓄電池，雖然單具蓄電池不易燃燒， 但一個電池儲能艙內(nèi)布置有上百具蓄電池，火災(zāi)危險性較高。 電池艙內(nèi)若干具單體蓄電池集成一在個儲能柜中，稱為一個電池簇，作為火災(zāi)研究中的基本單體。 一個艙體內(nèi)通常有數(shù)十個電池簇，成排布置，當(dāng)2 個及以電池簇處于火災(zāi)中可判定為艙體空間級火災(zāi)。

蓄電池在過充、過載等各種不利因素影響下，電池內(nèi)部的化學(xué)熱無法及時排出，熱量聚集，容易失控起火，因此，艙體的火災(zāi)危險高。 在沒有滅火系統(tǒng)干預(yù)的情況下[2]，一般電池儲能艙體火災(zāi)過程表現(xiàn)為艙體內(nèi)某具單體蓄電池?zé)崾Э孛盁?，隨后產(chǎn)生明火，進(jìn)而引發(fā)同一電池簇內(nèi)的其他電池?zé)崾Э?，大量可燃?xì)怏w生成，火勢急劇擴(kuò)大，最后整個艙體陷入火災(zāi)，并存在爆炸風(fēng)險，火災(zāi)危險性較大。

電池儲能艙的火災(zāi)特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：

1）火災(zāi)發(fā)展迅速，從單體電池?zé)崾Э孛盁?，產(chǎn)生明火，再到簇級燃燒，最終整個電池艙陷入火災(zāi)，可能發(fā)生在十幾分鐘內(nèi)；

2）電池火災(zāi)過程中會產(chǎn)生大量氫氣、一氧化碳和烴類等可燃?xì)怏w，艙體存在爆炸風(fēng)險[3]；

3）火災(zāi)溫度較高單體電池燃燒時溫度可達(dá)700 ℃，火災(zāi)蔓延后可達(dá)1 000 ℃以上；

4）蓄電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)很難直接打斷，艙內(nèi)明火撲滅火后，復(fù)燃的可能性很高。

3 電池儲能艙自動滅火設(shè)計方案

3.1 自動滅火措施設(shè)計要點(diǎn)

電池儲能艙屬于空間封閉場所，布置緊湊，并且內(nèi)部布置有大量蓄電池，火災(zāi)危險性較高。 所采用的艙體結(jié)構(gòu)一般為集裝箱，箱體的耐火性和抗爆能力也較差。 因此，在艙體內(nèi)設(shè)置自動滅火措施是必要的。

結(jié)合相關(guān)電池儲能艙火災(zāi)試驗結(jié)果[4]，在滅火系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)注意以下幾方面。

1）艙內(nèi)聯(lián)合設(shè)置局部應(yīng)用的簇級滅火系統(tǒng)和全淹沒的空間滅火系統(tǒng)是必要， 否則難以同時滿足快速滅火和有效防止復(fù)燃的需求。

2）務(wù)必重視初期滅火效率，由于蓄電池一旦產(chǎn)生明火，火情發(fā)展迅速，因此，初期滅火至關(guān)重要。 局部應(yīng)用的簇級滅火系統(tǒng)，能將滅火噴頭布置在儲能柜內(nèi)，結(jié)合感溫感煙探測器，對明火點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)覆蓋，是合適的初期滅火系統(tǒng)。 滅火系統(tǒng)迅速將明火撲滅，能有效控制火情。

3）必須有效防止復(fù)燃，由于蓄電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)難以被直接打斷，因此艙內(nèi)明火撲滅火后，不可馬上打開艙門，應(yīng)保持長時間的火災(zāi)抑制或冷卻降溫，防止復(fù)燃。

4）務(wù)必防止火災(zāi)擴(kuò)大，若初期滅火失敗，火勢蔓延，應(yīng)啟動空間級滅火措施，此時防止火熱失控造成爆炸。

3.2 滅火劑選擇

目前， 實際工程中采用的電池儲能艙自動滅火系統(tǒng)有氣體消防和水基滅火系統(tǒng)。

氣體消防的滅火原理是化學(xué)抑制、部分冷卻，優(yōu)點(diǎn)是對明火的撲滅效率高，啟動迅速，并且誤動不會對電氣設(shè)備造成損傷；缺點(diǎn)是冷卻效果不佳，不能打斷蓄電池內(nèi)部反應(yīng)，容易復(fù)燃[5]。水基滅火劑的滅火原理是冷卻、窒息，優(yōu)點(diǎn)是對蓄電池周邊進(jìn)行持續(xù)冷卻，可以有效防止艙內(nèi)復(fù)燃[6]；缺點(diǎn)是對電池艙內(nèi)的明火撲滅效率不如氣體滅火劑， 并且水基滅火系統(tǒng)誤動可能對未起火電氣設(shè)備造成損傷，災(zāi)后的處理也較為麻煩。

考慮到電池儲能艙及內(nèi)部設(shè)備屬于電氣設(shè)備并且造價較高，單座電池造價超過400 萬元。 火災(zāi)初期，火情尚處于可控范圍，為避免滅火時對其他未受影響的設(shè)備造成損害，簇級滅火系統(tǒng)的滅火劑宜選用氣體滅火劑，可將災(zāi)后代價降為最低。當(dāng)初期滅火失敗，火勢蔓延，啟動空間級滅火系統(tǒng)，此時宜選用水基型滅火劑，對艙內(nèi)進(jìn)行持續(xù)冷卻降溫，達(dá)到滅火和防止復(fù)燃雙重目的。

3.3 簇級滅火系統(tǒng)

簇級滅火系統(tǒng)宜選用氣體消防，氣體消防系統(tǒng)能快速、高效撲滅電池明火，并且技術(shù)成熟，特別適合用為電池艙火災(zāi)初期滅火。 七氟丙烷、全氟己酮是兩種高效的氣體滅火劑，且常溫下為液態(tài)有利于存儲運(yùn)輸， 適用于電池儲能艙簇級滅火系統(tǒng)。對全氟己酮的相關(guān)滅火試驗表明[7-8]，全氟己酮較七氟丙烷最主要的優(yōu)勢是不可見濃度與滅火濃的安全余量在67%～150%，而七氟丙烷的相關(guān)安全余量僅3%～20%，因此，全氟己酮是一種更為安全的滅火劑。 此外，全氟己酮在大氣中的存時間很短，而七氟丙烷在大氣中將存在數(shù)十年之久，因此，全氟己酮還是一種更為綠色環(huán)保的滅火劑。 相較于七氟丙烷，全氟己酮是一種更有前景的電池儲能艙簇級滅火系統(tǒng)。

3.4 空間級滅火系統(tǒng)

空間級消防宜采用水基滅火系統(tǒng)， 常見的水基滅火系統(tǒng)有細(xì)水霧、水噴霧滅火系統(tǒng)。 兩者的滅火原理相似，主要區(qū)別在于細(xì)水霧的霧化顆粒更低，有窒息作用，滅火效率更高，耗水量更低，且具有良好的電氣絕緣性，缺點(diǎn)在于細(xì)水霧需配置高壓水泵等設(shè)備，系統(tǒng)整體造價較高；水噴霧滅火系統(tǒng)是一種廣泛運(yùn)用，技術(shù)成熟的水基型自動滅火系統(tǒng)，只需要普通消防泵組即可，文獻(xiàn)[9]通過試驗對比了細(xì)水霧和水噴霧滅火系統(tǒng)，結(jié)果表現(xiàn)兩種滅火系統(tǒng)均可達(dá)到有效滅火和防止復(fù)燃的作用。 考慮到電池艙內(nèi)的空間級滅火系統(tǒng)，首要任務(wù)是進(jìn)行持續(xù)火災(zāi)控制，達(dá)到降溫冷卻，防止艙體整體失控。 因此，從經(jīng)濟(jì)適用性角度出發(fā)， 選用水噴霧滅火系統(tǒng)作為空間級滅火系統(tǒng)較容易為業(yè)主方接受。

4 電池儲能艙自動滅火控制策略

在以氣體作為簇級滅火系統(tǒng)滅火劑和以水作為空間級滅火系統(tǒng)滅火劑的混合滅火方案中， 科學(xué)的滅火系統(tǒng)啟動策略可以很好地平衡火災(zāi)損失和消防安全。

考慮電池儲能艙火災(zāi)由絕大多數(shù)為某一電池簇電池?zé)崾Э匾鸬模铍姵氐臒崾Э剡^程發(fā)展迅速，從冒煙到起火不過數(shù)十秒，所供消防處置時間不足。 另一方面，即便電池艙內(nèi)簇級氣體消防誤動，誤動對艙內(nèi)設(shè)備也不會造成實質(zhì)性損害，經(jīng)濟(jì)損失較小。 因此，電池艙火災(zāi)初期應(yīng)確保滅火系統(tǒng)及時、精確啟動關(guān)系到整體艙體的安全， 在設(shè)定簇級滅火系統(tǒng)啟動邏輯時應(yīng)側(cè)重“及時原則”，即簇級滅火系統(tǒng)的啟動條件判斷不應(yīng)過于謹(jǐn)慎，避免因設(shè)定過多啟動條件，造成簇級滅火系統(tǒng)不能及時啟動。 根據(jù)相關(guān)試驗研究，艙內(nèi)火災(zāi)初期故障電池很快會產(chǎn)生大量濃煙，因此，在每個電池柜內(nèi)頂部布置感煙探測器，感煙探測器報警信號作為簇滅火系統(tǒng)的動作信號，可保證火情判斷和定位，確保簇級滅火系統(tǒng)及時打開相應(yīng)電磁閥，進(jìn)行滅火。

若初期火災(zāi)滅火失敗，火勢蔓延，此階段艙體內(nèi)多個電池簇失火，產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w，艙體的整體安全受到嚴(yán)重威脅，應(yīng)啟動空間級滅火系統(tǒng)。 但空間級水基滅火系統(tǒng)的啟動會對艙體內(nèi)蓄電池及其他電器設(shè)備造成嚴(yán)重影響， 災(zāi)后的經(jīng)濟(jì)損失很大，因此，在啟動空間級滅火系統(tǒng)時，應(yīng)強(qiáng)調(diào)“謹(jǐn)慎原則”，不容許空間級滅火系統(tǒng)的誤動。 在空間級滅火系統(tǒng)的啟動邏輯應(yīng)設(shè)定多種判斷條件， 可采用簇級滅火系統(tǒng)啟動+ 增加在布置在艙體頂部的2 處以上感煙探測器發(fā)出報警信號+ 艙體內(nèi)感溫探測器溫度在700 ℃以上， 否則應(yīng)進(jìn)行人工判斷是否啟動。簇級+空間級的組合電池艙滅火系統(tǒng)的具體滅火策略，見圖1。

圖1 滅火系統(tǒng)控制策略

5 結(jié)語

電池儲能艙內(nèi)布置有上百具單體蓄電池， 火災(zāi)危險性較大，在艙內(nèi)布置自動滅火系統(tǒng)是及時滅火的重要手段。 儲能電池艙內(nèi)宜同時配置簇級滅火系統(tǒng)和空間級滅火系統(tǒng)， 確保在艙內(nèi)不同火災(zāi)階段可實現(xiàn)針對性滅火。 在艙體火災(zāi)初期階段，進(jìn)行及時、準(zhǔn)確的高效滅火可實現(xiàn)快速阻止火災(zāi)蔓延，將火災(zāi)控制在簇級內(nèi)，以減小火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失，宜采用氣體滅火劑的滅火系統(tǒng)。 當(dāng)艙內(nèi)火災(zāi)蔓延時，為保證艙體的整體安全，空間級滅火宜采用水基型滅火系統(tǒng)， 不僅能持續(xù)進(jìn)行冷卻降溫滅火，并能有效防止復(fù)燃。 兩套滅火系統(tǒng)的啟動順序，應(yīng)根據(jù)不同火災(zāi)判斷依據(jù)進(jìn)行，以達(dá)到在保證消防安全的前提下，將火災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失降至最低的目的。 在初次接收到火災(zāi)報警信號，應(yīng)確保簇級滅火系統(tǒng)的快速啟動，強(qiáng)調(diào)“及時原則”；若初期火災(zāi)滅火失敗，火勢蔓延，則應(yīng)啟動空間級滅火系統(tǒng)，但此時應(yīng)防止火災(zāi)報警系統(tǒng)誤報情況，在確保消防安全的前提下，強(qiáng)調(diào)“謹(jǐn)慎原則”。